超固結比對合肥硬黏土剪脹特性的影響研究

陳賀欣, 陸 國, 沈銀斌, 楊成斌, 王 杰

(1.合肥工業大學 資源與環境工程學院,安徽 合肥 230009; 2.金科地產華東大區浙江公司,浙江 杭州 311200; 3.機械工業勘察設計研究院有限公司 安徽分公司,安徽 合肥 230051)

近年來,隨著經濟快速發展、城市規模擴大,出現了越來越多的高層、超高層建筑,這對基礎承載力建設提出更高的要求。土的剪脹性在高層、超高層建筑的基礎設計和施工中是不可忽視的影響因素,預制樁施工中引起的顯著地表隆起和鄰近樁體傾斜與斷裂,均與土的剪脹性密切相關。

關于土體的剪脹性,相關研究成果較豐富。針對砂性土及粗粒土,文獻[1]通過分析主應力方向對砂土剪脹性的影響,提出含有主應力方向的狀態參量,并建立相應的剪脹方程;文獻[2]開展不同固結方式、不同應力路徑、不同圍壓下的三軸壓縮試驗,探究砂土在不同條件下的剪縮、剪脹變化規律及剪脹性變化趨勢;文獻[3]通過實驗探討圍壓、母巖性質、密度及應力路徑等因素對粗粒土剪脹性的影響;文獻[4]研究低圍壓至高圍壓范圍內,砂土相對密度和圍壓對土體強度和變形特性的影響。在黏性土方面,文獻[5] 針對超固結飽和黏性土,提出能夠反映不同超固結比(overconsolidation ratio,OCR)下土的變形、剪脹、孔隙水壓力變化特性和規律的本構模型;文獻[6]研究OCR對海相沉積軟黏土熱固結特性的影響,擬合得到考慮OCR影響的熱固結經驗關系式;文獻[7]研究不同OCR及不同含砂量對重塑土體剪脹特性的影響;文獻[8] 研究不同OCR和應力速率對膨脹土卸荷力學特性的影響。針對合肥硬黏土,文獻[9-10]分析不同OCR土體的抗剪強度、剪切指標等規律。

上述剪脹性研究大多是針對砂土和粗顆粒土,對于硬黏土這種結構性土的剪脹性研究較少,且針對不同OCR原狀土樣與重塑土樣的對比研究較少。合肥硬黏土在歷史上由于地質運動產生的卸荷作用,土層的前期固結壓力大于現覆土層壓力,具有典型的超固結性。本文通過三軸剪脹試驗,分析合肥地區典型硬黏土的剪脹性與OCR的關系,并與重塑土進行對比分析;通過制備不同OCR擾動土樣,分析重塑對剪脹特性的影響。

1 試驗內容與方案

1.1 試樣制備

原狀土樣取自合肥肥西金田產業園區典型硬黏土地區。采用環刀切土取樣,并對采集的試樣開展基本物理性質實驗,得到原狀硬黏土基本物理力學性能參數取值,見表1所列。表1中,密度、干密度的單位為g/cm3。

表1 原狀硬黏土基本物理力學性能參數取值

重塑土采用分層擊實法制備,擊實桶內徑與試樣直徑相同,擊錘直徑略小于桶內徑。根據設計要求的干密度和含水率確定所需濕土質量,分6層依次倒入擊實桶內,并分層擊實,達到最大壓實效果;擊實結束后,將試樣兩端整平。為確保不同試樣的壓實性保持一致,要確保土的含水率、錘擊次數、篩選粒徑和分層厚度等保持一致,以取土深度12 m的基本物理性質進行控制。重塑土的基本物理性質如下:含水率為24.6 %,干密度為1.61 g/cm3,孔隙比為0.707。

1.2 試驗方案

試驗采用TSZ-1型應變式三軸試驗儀,試樣尺寸(直徑×高度)為39.1 mm×80.0 mm,共4組土樣,其中3組為原狀土樣(編號為1、2、3),1組為擾動重塑土樣(編號為4)。原狀土樣每組分別包括取土深度為3、8、12 m的3個土樣。擾動重塑土樣取土深度均為12 m,為保證重塑土與原狀土的對應關系,在原狀土試樣試驗后,用該原狀土制備重塑土樣,并盡量控制其基本物理性質與原狀土一致,重塑土的壓實效果接近原狀土的密實度,以此與原狀土樣進行對比試驗。重塑硬黏土試樣圖片如圖1所示。

本次試驗為不固結不排水三軸剪切試驗,試樣采用抽氣飽和法,剪切速率為0.3 mm/min,圍壓為150 kPa。共4組試驗,其中1組為重塑土對比試驗。

OCR是表達超固結性的一個重要參數,研究合肥硬黏土OCR與剪脹性之間的關系,需要確定硬黏土的OCR(Roc),計算公式為:

Roc=pc/p0

(1)

其中:pc為土層前期固結壓力;p0為土層自重壓力。本文根據室內固結試驗的e-lgp曲線(e為孔隙比,p為土層壓力)確定pc值。試驗方案見表2所列。

圖1 重塑硬黏土試樣圖片

表2 三軸剪切試驗方案

為了進一步分析初始結構對合肥硬黏土剪脹性的影響,制備OCR分別為1、2、4、8的重塑硬黏土試樣,對應pc/p0值分別為800/800、800/400、800/200、800/100。

重塑土制備與試驗方法如下:將土樣加載到需要的較高荷載800 kPa,排水固結,用于產生土的前期固結壓力,然后逐級降低圍壓,達到預定的剪切圍壓,制備OCR分別為1、2、4、8的土樣;試樣的每級荷載固結時間為2 d,等向固結完成后,對試樣開始軸向剪切,剪切速率為0.002 mm/min。

2 試驗結果與分析

2.1 原狀土與重塑土對比分析

4組試樣體積剪脹率(體應變)、偏應力隨軸向應變的變化曲線分別如圖2～圖5所示。

由圖2～圖4可知,隨著軸向應變增大,體應變、偏應力在初始階段呈線性增長,最終趨于穩定。從圖2可以看出,取土深度3 m的原狀土試樣OCR值為4.43～4.68,最大體積剪脹率(體應變)為2.5%～3.0%,對應的軸向應變趨于5%,偏應力最終穩定在270～280 kPa范圍。

圖2 第1組試樣體積剪脹率、偏應力隨軸向應變變化曲線

圖3 第2組試樣體積剪脹率、偏應力隨軸向應變變化曲線

圖4 第3組試樣體積剪脹率、偏應力隨軸向應變變化曲線

圖5 第4組試樣體積剪脹率、偏應力隨軸向應變變化曲線

從圖3可以看出,取土深度8 m的原狀土試樣OCR值為3.54～3.85,最大體積剪脹率(體應變)為1.7%～1.8%,對應的軸向應變趨于7%,偏應力最終穩定在250～270 kPa范圍。

從圖4可以看出,取土深度12 m原狀土試樣OCR值為2.70～2.88,最大體積剪脹率(體應變)為1.1%～1.2%,對應的軸向應變趨于8%,偏應力最終穩定在190～210 kPa范圍。

從圖5可以看出,第4組試樣為重塑土(以取土深度為12 m土樣的基本物理性質進行控制),擾動試樣受偏應力的作用,剪切初期先發生剪縮,后轉為剪脹,最大體積剪脹率(體應變)為0.7%～0.8%,與同深度原狀土試樣相比,最大體積剪脹率降低33.3%～36.4%,偏應力最終穩定在200 kPa左右。由此可見,擾動土破壞了原狀土體的原始致密結構,剪脹效應明顯降低。

通過對比取自不同深度的原狀土樣三軸試驗結果發現,土樣的OCR越大,剪脹性越大,且有較強的相關性;OCR越小的土體,達到最大體積剪脹率時所對應的軸向應變越大,反之則越小。

對原狀土樣最大體積剪脹率(體應變)和OCR數據進行擬合,結果如圖6所示。

由圖6擬合曲線得到體應變εv與OCR的關系式為:

εv=0.37x2-1.81x+3.37

(2)

其中,x為OCR。根據(2)式可得,在一定范圍內,OCR與最大體積剪脹率(體應變)呈拋物線關系曲線,擬合效果R2=0.99。這說明在一定條件下,OCR與最大體積剪脹率具有較強的相關性。

圖6 原狀土最大體積剪脹率-OCR關系擬合曲線

2.2 不同OCR重塑土對比分析

為了進一步分析初始結構對剪脹性的影響,制備OCR分別為1、2、4、8的重塑硬黏土試樣,進行對比分析,試驗結果如圖7、圖8所示。

由圖8a可知:OCR為1的土樣只有剪縮現象,最大體應變為-2.70%;OCR為2的土樣出現先剪縮后剪脹的現象,剪脹現象不明顯,最大體應變為0.27%;OCR為4時,土樣只有剪脹現象,最大體應變為1.67%,OCR為8時,土樣同樣只有剪脹現象,最大體應變為7.30%。由此可見,隨著OCR增大,最大體積剪脹率(體應變)也不斷增大。

圖7 不同OCR重塑硬黏土破壞后的狀態圖片

圖8 不同OCR重塑土樣體積剪脹率、偏應力隨軸向應變的變化

由圖8b可知,OCR為1時,土體偏應力隨軸向應變增大而不斷增加,最終趨近于200 kPa;OCR為2時,土體偏應力增大到200 kPa后又逐漸降低,最終趨于200 kPa;OCR為4時,土體偏應力增大到260 kPa左右,在軸向應變8%左右開始降低,而OCR為8時,土體偏應力增大到350 kPa左右開始減小,最終都趨于200 kPa。由此可見,OCR小于2的土體,只發生應變硬化現象,而OCR大于2的土體,出現應變軟化現象,由此推斷OCR為2是發生應變硬、軟化轉變的臨界點。

對上述不同OCR重塑土樣的試驗結果作線性相關性分析,發現OCR與最大體積剪脹率(體應變)存在一定的線性相關,如圖9所示。

圖9 不同OCR重塑土樣體積剪脹率-OCR關系曲線

擬合關系式為:

εv=1.34x-3.37

(3)

其中,x為OCR。擬合效果R2=0.97。

由(3)式可知,OCR與最大體積剪脹率表現出良好的相關性。將原狀土樣的OCR值代入(2)式得到原狀土的體積剪脹率,并與重塑土體積剪脹率相比較,發現重塑土樣的體積剪脹率降低5%～51%,并且OCR越大,重塑土的體積剪脹率降低程度越明顯,這是由于重塑過程中破壞了土顆粒原來的致密結構,增大了顆粒間的孔隙。

合肥地區硬黏土的OCR[11]為 1.70～7.50,平均值約為3.00,硬黏土地區施工地連墻或送樁時,土體受到大范圍的剪切破壞,會產生顯著的體積膨脹,OCR越大的土體,產生的體積剪脹率就越大,給工程帶來很大影響,如樁體傾斜、地表隆起、基坑隆起等。

3 結 論

(1) 在一定范圍內,OCR越小的硬黏土,達到最大體積剪脹率(體應變)時對應的軸向應變越大;反之則越小。

(2) 同源同深度重塑土與原狀土相比,重塑土體的原結構受到破壞,重塑土的最大體積剪脹率降低33.3%～36.4%。

(3) 對于合肥硬黏土,在一定范圍內,原狀土的OCR與最大體積剪脹率(體應變)呈拋物線相關關系,且OCR越大,剪脹性越大。

(4) 重塑土OCR與最大體積剪脹率(體應變)存在一定的線性相關;與原狀土相比,重塑土樣的體積剪脹率降低5%～51%,且OCR越大,重塑土的體積剪脹率降低程度越大。